正弦波振荡器

1、1,概述,一、与功放比较(从能量角度),1功率放大器,将直流电源提供的直流能量转换为按信号规律变化的交变能量。,特点：被动地，需输入信号控制。,2正弦波振荡器(Sinewave Oscillator),将直流能量转换为频率和振幅特定的正弦交变能量。,特点：自动地，无需输入信号控制。,2,二、正弦波振荡器的应用,1作信号源(本章将讨论),正弦波信号源：电子测量仪器；,要求：振荡频率和振幅的准确性和稳定性。,2正弦交变能源(本章不讨论),用途：高频加热设备和医用电疗仪器中的正弦交变能源。,要求：功率足够大，高效。,载波信号：无线发射机；,本振信号：超外差接收机；,时钟信号：数字系统。,3,三、分类

2、,（1）反馈振荡器,利用正反馈原理构成，应用广泛。,（2）负阻振荡器,利用负阻效应抵消回路中的损耗，以产生等幅自由振荡。,1、按组成原理,2、按产生的波形,（1）正弦波振荡器,（2）非正弦波振荡器,矩形脉冲、三角波、锯齿波。,3、按选频网络所采用的器件,LC振荡器、晶体振荡器、RC振荡器。,4,第一节 反馈振荡器的原理,一、反馈振荡器的原理分析,组成：,（1）放大器,放大器通常是以某种选频网络(如振荡回路)作负载，是调谐放大器。,一般是由无源器件组成的线性网络。,（2）反馈网络,正反馈： Ui(s)与Ui(s)相位相同。,5,一、反馈振荡器的原理分析,闭环电压放大倍数,6,一、反馈振荡器的原理

3、分析,闭环电压放大倍数,放大器电压放大倍数,反馈网络的电压反馈系数,反馈系统的环路增益,7,一、反馈振荡器的原理分析,反馈系统的环路增益,闭环电压放大倍数,自激振荡的条件：,又称为振荡器的平衡条件。,二、平衡条件,相位平衡条件,振幅平衡条件,8,二、平衡条件,相位平衡条件,振幅平衡条件,分析K(j)与F(j)的意义（以单调谐谐振放大器为例）,若,又,因为,晶体管的正向转移导纳,放大器的负载阻抗,所以,9,（1）振幅平衡条件决定了振荡器输出振幅的大小。 （2）相位平衡条件决定了振荡器输出信号的频率大小，解得到。一般在回路的谐振频率附近。,二、平衡条件,相位平衡条件,振幅平衡条件,10,第一节 反

4、馈振荡器的原理,三、振荡器的起振条件,初始的激励是从哪里来的呢？,振荡的最初来源是振荡器在接通电源时不可避免地存在的电冲击及各种热噪声等。,11,三、振荡器的起振条件,振幅起振条件,相位条件,Ub1,U01,Ub2,U02,Ub3,U0,Ub,振荡开始时应为增幅振荡！,振幅条件的图解表示,12,1、振幅稳定条件,四、稳定条件,UiA,Ui,Ui,因此，振荡器由增幅振荡过渡到稳幅振荡，是由放大器的非线性完成的。由于放大器的非线性，振幅稳定条件很容易满足。,13,四、稳定条件,振荡器稳定工作时回路的相频特性,并联振荡回路的相位特性保证了相位稳定。,2、相位稳定条件,1、振幅稳定条件,14,闭合环路

5、成为反馈振荡器的三个条件：, 起振条件接通电源后可从无到有建立起振荡。, 平衡条件进入平衡状态后可输出等幅持续振荡。,第一节 反馈振荡器的原理,总结：,15,主网络,反馈网络,五、振荡线路举例互感耦合振荡器,互感耦合反馈振荡器的正反馈是由互感耦合回路中的同名端来保证的。,反馈振荡器工作原理,16,第二节 LC 振 荡 器,一、振荡器的组成原则,1 三端式振荡器的组成,LC回路的三个端点与晶体管的三个电极分别连接。,三端式(又称三点式)振荡器：,并联谐振回路：决定振荡频率。 反馈网络：构成正反馈。,三个电抗元件X1、X2、X3：,17,一、振荡器的组成原则,1 三端式振荡器的组成,X1 + X2

6、 + X3 = 0,谐振条件,电路中三个电抗元件必须由两种不同性质的电抗元件组成。,相位平衡条件，即正反馈条件,X1、X2为同性质电抗元件,判断三端式振荡器能否振荡的原则：,“射同余异”,或 “源同余异”,18,一、振荡器的组成原则,三端式振荡器有两种基本电路：,(a) 电容反馈振荡器,(b) 电感反馈振荡器,三点式振荡电路组成法则,19,例题：,图4-7是三回路振荡器的等效电路，设有下列几种情况：,试分析上述四种情况是否都能振荡，振荡频率 f1 与回路谐振频率有何关系？属于何种类型的振荡器？,20,作业,4-2 4-3 4-4（a、 b、 d、 e） 检查振荡器线路是否正确的步骤： 1.检查

7、交流通路是否存在正反馈 2.检查直流通路 为满足起振的振幅条件，起振时应使放大器工作在线性放大区，即对三极管电路，直流通路应使发射结正偏，集电结反偏。,21,二、电容反馈振荡器,交流等效电路,电阻R1、R2、Re起直流偏置作用。,Ce为旁路电容，Cb为隔直电容，保证起振时有合适的静态工作点及交流通路。,Lc可防止集电极交流电流从电源入地。,下面分析该电路的振荡频率及起振条件。,22,二、电容反馈振荡器,(2) 晶体管Cie、Coe很小， 可忽略它们的影响；,高频小信号等效电路,分析振荡频率、起振条件：,(3) 忽略晶体管集电极电流ic对输入信号ub的相移，将Yfe用跨导gm表示。,设: (1)

8、 忽略Yre=0 的影响;,：除晶体管以外的电路中所有电导折算到ce两端后的总电导。,23,电压增益：,反馈系数：,环路增益：,下面分析环路增益！,分析振荡频率、起振条件：,24,T(j)。,1,令T(j)虚部等于零。,分析振荡频率、起振条件：,下面分析环路增益：,25,振荡频率表达式：,近似表示：,1,分析振荡频率：,26,将gie折算到放大器输出端：,放大器总的负载电导gL：,放大器电压放大倍数：,分析起振条件：,27,起振条件：,分析起振条件：,28,第一项：输出电导和负载电导对振荡的影响，F越大，越容易振荡；,第二项：输入电阻对振荡的影响，gie、F 越大，越不容易振荡。,二、电容反馈

9、振荡器,只要在设计电路时使晶体管的跨导满足此式，振荡器就可以振荡。,因此，考虑晶体管输入电阻对回路的加载作用，反馈系数F并非越大越好。,起振时环路增益一般取 3 5。,起振条件：,29,三、电感反馈振荡器,(a) 实际电路,(b) 交流等效电路,通常电感是绕在同一带磁芯的骨架上，它们之间存在有互感，用M表示。,30,三、电感反馈振荡器,(b) 交流等效电路,振荡频率表达式：,反馈系数：,起振时的gm应满足：,条件与电容反馈振荡器相同！,31,电感反馈振荡器与电容反馈振荡器的比较,（1）两种线路都简单，容易起振。,（2）电感反馈振荡器的工作频率不能过高；电容反馈振荡器，工作频率可以较高。,（3）

10、电容反馈振荡器的输出波形比电感反馈振荡器的输出波形要好。,综上，由于电容反馈振荡器具有工作频率高、波形好等优点，在许多场合得到了应用。,32,四、两种改进型电容反馈振荡器,1. 克拉泼振荡器,实际电路,交流等效电路,（克拉泼振荡器 、西勒振荡器）,33,四、两种改进型电容反馈振荡器,1. 克拉泼振荡器,回路的总电容,振荡频率,回路总电容主要由C3决定，极间电容对总电容的影响很小!,反馈系数,34,接入系数,四、两种改进型电容反馈振荡器,1. 克拉泼振荡器,等效到晶体管ce两端的负载电阻RL,晶体管与回路间的耦合很弱！,C1 、C2不能过大,，否则停振！,35,1. 克拉泼振荡器,（1）主要用于

11、固定频率或波段范围较窄的场合。,（2）频率覆盖系数一般只有 1.2 1.3。,结论：,改变 C3,RL,K,停振, RL的变化,波段范围内输出振幅变化较大,36,四、两种改进型电容反馈振荡器,2. 西勒振荡器,实际电路,交流等效电路,37,2. 西勒振荡器,回路的总电容,振荡频率,改变频率主要是通过调整C4完成的！,38,接入系数,2. 西勒振荡器,（1）C4的改变并不影响接入系数 p，波段内输出幅度较平稳。,西勒振荡器适用于较宽波段工作，在实际中用得较多。,（2）C4改变，频率变化较明显，故西勒振荡器的频率覆盖系数较大，可达1.6 1.8。,结 论,39,第三节 振荡器的频率稳定度,一、频率

12、稳定度的意义和表征,频率稳定度是指由于外界条件的变化，引起振荡器的实际工作频率偏离标称频率的程度，它是振荡器的一个重要指标。,频率不稳定带来的影响？,1、,对频稳度的不同要求：,40,频率稳定度的表征,绝对偏差：,设 f1 为实际工作频率，,相对偏差：,频率稳定度：用f / f1|时间间隔表示。,2、,f 0 为标称频率,频率准确度！,频率稳定度?,这个数值越小，频率稳定度越高！,时间间隔？,第三节 振荡器的频率稳定度,41,3、按照时间间隔长短不同,一般指一天以上以至几个月的时间间隔内。,一般指秒或毫秒时间间隔内的频率相对变化。,长期稳定度,一般指一天以内，以小时、分钟或秒计时的时间间隔内。

13、,短期稳定度,瞬时稳定度,一般频率稳定度主要是指短期稳定度！,通常是由振荡器中元器件老化而引起的。,产生这种频率不稳定的因素有温度、电源电压等。,引起不稳定的主要因素是振荡器内部的噪声。,42,二、振荡器的稳频原理,振荡回路在0附近的幅角,相位平衡条件,该式反映了振荡器的频率不稳定因素！,振荡频率：,43,二、振荡器的稳频原理,1. 回路谐振频率0的影响,回路元件L和C的稳定度将影响振荡器的频率稳定度。,提高回路的标准性！,结论：,44,2. QL对频率的影响,二、振荡器的稳频原理,回路QL越大，频率稳定度就越高！,提高回路的QL ！,结论：,45,二、振荡器的稳频原理,主要取决于晶体管内部的

14、状态。,3、,对频率的影响,减小晶体管的影响 ！,结论：,46,1. 提高振荡回路的标准性,三、提高频率稳定度的措施,2. 减少晶体管的影响,3. 提高回路的品质因数,4. 减少电源、负载等的影响,为减少温度对振荡频率的影响，可以将振荡器放在恒温槽内。,在设计电路时应尽可能减少晶体管和回路之间的耦合。另外，应选择 f T 较高的晶体管， f T越高，高频性能越好。,回路的Q值越大，回路的相频特性斜率就越大，即回路的Q值越大，相位越稳定。,振荡器电源应采取必要的稳压措施。,应减小负载对回路的耦合，可以在负载与回路之间加射极跟随器等措施。,47,晶体振荡器： 采用石英谐振器控制和稳定振荡频率的振荡

15、器。,一、石英谐振器的电特性,1石英晶体的性能与等效电路,利用石英晶体(Quartz-Crystal)的压电效应制成的一种谐振器件。,第五节 石英晶体振荡器,48,(1)性能, 晶片有一固有振动频率，与切割方位、形状、大小有关，且十分稳定。,将其接到振荡器的闭合环路中，利用其固有频率，能有效地控制和稳定振荡频率。, 压电效应：机械与电的相互转换效应。,正压电效应：外加力，产生电荷现象。,逆压电效应：外加电压，产生机械振动现象。, 振动特性,1石英晶体的性能与等效电路,具有多谐性，除基频振动外还有奇次谐波的泛音振动。,49,(2)等效电路,包括泛音在内的等效电路,谐振频率附近的等效电路,50,(

16、2)等效电路,串联谐振频率,并联谐振频率,二者关系：,等效接入系数,51, 在 q o 之间为正值，呈感性；其他频段内为负值，呈容性。, 在 q 上 Xe= 0 ，为串联谐振；在 0 上 Xe ，为并联谐振。,2电抗特性,晶振体两个谐振频率：w q、f o ；且 wq w o, 工作于 wq wo 之间为高 Q 电感，并联谐振。, 工作于 wq附近为串联谐振，对 wq，相当于短路。,晶振体只能工作于上述两种方式，否则频稳度下降。,结论：,52,3. 石英晶体振荡器频率稳定度,具有高频稳度的原因：,(3) 有非常高的 Q 值。,(2) 与有源器件的接入系数 p很小。 一般为103 10 4。,(

17、1) 具有很高的标准性。 其振荡频率主要由石英晶体谐振器的谐振频率决定。,53,二、晶体振荡器电路,1、并联型晶体振荡电路,Ce： 旁路电容。 C1、 C2：既是回路的一部分，也是反馈电路。,（1）皮尔斯振荡器,54,振荡频率,外部电容,1、并联型晶体振荡电路,等效接入系数,并联谐振频率,（a）改变CL可以微调振荡频率。,（b） CL主要由C3决定。通常电路中C3C1、C2。 实际电路中用与晶体串一小电容C3来微调振荡频率。,分析,晶体振荡器,反馈系数,55,1、并联型晶体振荡电路,(2)并联型晶体振荡器的实际线路,其适宜的工作频率范围为0.85 15 MHz。,交流等效电路,56,皮尔斯振荡

18、器,(3)密勒(Miler)振荡器,1、并联型晶体振荡电路,由于晶体与晶体管的低输入阻抗并联，降低了有载品质因数 QL ，故密勒振荡器的频率稳定度较低。,结论：,57,(3)密勒(Miler)振荡器,1、并联型晶体振荡电路,交流等效电路,由于皮尔斯振荡器的频稳度比密勒振荡器高，故实际应用的晶体振荡器大多为皮尔斯振荡器，在频率较高时可以采用泛音晶体构成。,58,(4) 泛音晶体皮尔斯振荡器,1、并联型晶体振荡电路,交流等效电路,59,原理分析：,设取五次泛音，标称频率为5 MHz。,（a）对五次泛音，LC1 呈容性，满足电容三点式；,（b）对基音、三次泛音，LC1 呈感性，不满足组成法则；,（c

19、）对高于七次以上泛音，使放大器增益减小，振荡器停振。,(4) 泛音晶体皮尔斯振荡器,5,3.5,1,为抑制基音和三次泛音的寄生振荡，LC1 应调谐在三次和五次泛音之间，例如 3.5 MHz。,一般为3、5、7次泛音。,60,2、串联型晶体振荡器,实际线路,等效电路,晶体接在振荡器要求低阻抗的两点间，通常在反馈电路中。,61,2、串联型晶体振荡器,原理分析：,当 f = fq 时，晶体串联谐振，等效为短路元件，电路满足相位条件，且反馈最强，满足起振条件。, f fq 时，晶体呈高阻抗，反馈显著减弱，不能满足振幅和相位起振条件。,因此这种振荡器的振荡频率受晶体串联谐振频率的控制，具有很高的频稳度。,62,2、串联型晶体振荡器,补充说明：,通常这种晶体标明其负载电容为无穷大。,不需要外加负载电容CL。,这是由于晶体只起到控制频率的作用，对回路没有影响，只要电路能正常工作，输出幅度就不受晶体控制。,串联型晶体振荡器能适应高次泛音工作。,在实